機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)論文無(wú)縫廠加熱爐出料機(jī)械手設(shè)計(jì)—機(jī)械部分全套圖紙

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目：無(wú)縫廠加熱爐出料機(jī)械手設(shè)計(jì)機(jī)械部分學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：0602115108專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：機(jī)06-5班指導(dǎo)教師：35m環(huán)型加熱爐出料機(jī)械手摘要本文主要針對(duì)無(wú)縫鋼管廠35m環(huán)型加熱爐出料機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。行走小車(chē)在機(jī)架上做水平直線運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)夾料桿至加熱爐前，再通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)同步擺桿機(jī)構(gòu)使夾料桿完成升降運(yùn)動(dòng)，最后通過(guò)旋轉(zhuǎn)用液壓缸驅(qū)動(dòng)夾料桿旋轉(zhuǎn)完成夾料工作。設(shè)計(jì)中包括以下內(nèi)容：介紹機(jī)械手分類及主要技術(shù)指標(biāo)，確定本設(shè)計(jì)任務(wù)中出料機(jī)械手采用的方案；對(duì)出料機(jī)械手的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；計(jì)算選擇液壓元件及緩沖元件，以及對(duì)主要機(jī)械部件的強(qiáng)度校核

2、。關(guān)鍵詞：環(huán)型加熱爐；機(jī)械手；控制；吊掛擺動(dòng)裝置全套圖紙， Ring of Steel Furnace ManipulatorAbstractThis article will focus on the discharging manipulator design of 35m ring furnace in the seamless steel pipe plant.The walking trolley that does a straight line on the pedestal promotes the clip materials bar to the

3、furnace,and then promotes it doing Lifting exercise through synchronous pendulum body driven by the lifting driving hydraulic cylinder, and finally with a rotating hydraulic cylinder drives the clip materials bar to complete the clip materials work.Design includes the following: includuction manipul

4、ator classification and the main technical indicators, deternination the design task with a steel manipulator; parameters design and calculated of the steel ,the choice of hydraulic components and buffer components ,as well as the strength check of the main mechanical components.Keywords: Ring-type

5、furnace; manipulator; control; hanging swing mechanism目 錄摘要IAbstractII第一章 緒 論11.1 概述11.2 機(jī)械手的組成及分類1 機(jī)械手的組成1 機(jī)械手的分類31.3 機(jī)械手的主要技術(shù)指標(biāo)41.4 機(jī)械手的靜力和動(dòng)力分析5 靜力分析5 動(dòng)力分析61.5 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向6第二章 環(huán)型加熱爐及出料機(jī)械手82.1 環(huán)型加熱爐8 環(huán)型加熱爐的結(jié)構(gòu)8 環(huán)型加熱爐的優(yōu)缺點(diǎn)9 環(huán)型加熱爐的工作過(guò)程102.2 出料機(jī)械手102.3 設(shè)計(jì)專題部分11第三章 出料機(jī)械手的方案確定123.1 可選方案12 方案一12 方案二13 方案三

6、153.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法擇優(yōu)15 技術(shù)評(píng)價(jià)15 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)16 技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)16第四章 出鋼機(jī)械手參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算184.1 機(jī)械手組成184.2 出料機(jī)械手的循環(huán)動(dòng)作204.3 主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算21 初定行程用時(shí)21 旋轉(zhuǎn)用液壓缸負(fù)載壓力22 吊掛擺動(dòng)裝置液壓缸負(fù)載壓力計(jì)算23 同步擺桿機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算24 夾料桿升降驅(qū)動(dòng)液壓缸負(fù)載壓力計(jì)算25 車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算28第五章 液壓缸及減速緩沖元件的選用315.1 液壓馬達(dá)選擇315.2 液壓缸選擇31 夾鉗啟閉用液壓缸的選擇31 升降驅(qū)動(dòng)液壓缸的選擇33 吊掛擺動(dòng)液壓缸的選擇335.3 減速器選擇345.4 緩沖裝置簡(jiǎn)介及其選用35第六章 部分部

7、件設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度校核376.1 夾料桿旋轉(zhuǎn)嚙合齒輪設(shè)計(jì)376.2 夾料桿強(qiáng)度校核42結(jié)束語(yǔ)48參考文獻(xiàn)49第一章 緒 論1.1 概述工業(yè)機(jī)械手是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或操持工具或進(jìn)行操作的高科技自動(dòng)化裝置，在結(jié)構(gòu)和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其是體現(xiàn)了人的智能性和適應(yīng)性，能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平，能夠減輕生產(chǎn)工人的繁重、重復(fù)的體力勞動(dòng)，并且能在高溫、高壓、低溫、粉塵、有毒氣體和放射性污染等環(huán)境中代替人工作。工業(yè)機(jī)械手在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，在促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化方面起了巨大作用。機(jī)械手技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓

8、技術(shù)、自控技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科的綜合技術(shù)。而且機(jī)械手機(jī)構(gòu)學(xué)乃是機(jī)器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機(jī)械原理研究的重要內(nèi)容。1.2 機(jī)械手的組成及分類1.2.1 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部分關(guān)系如圖1.1所示，機(jī)械手的組成示意圖如圖1.2所示。控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位置檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)工件圖1.1 機(jī)械手組成一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成。圖1.2工業(yè)機(jī)械手組成示意圖1一手指 2一手部 3一手腕回轉(zhuǎn)液壓缸 4一導(dǎo)向桿 5手臂伸縮液壓缸 6一手

9、臂回轉(zhuǎn)液壓缸 7一手臂升降液壓缸 8液壓系統(tǒng)控制閥 9一液壓泵電動(dòng)機(jī) 10液壓泵 11一油箱1. 手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手爪多為兩指；根據(jù)需要分為外爪式或內(nèi)爪式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。2. 腕部 即連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。如有特殊要求(將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤(pán)類零件卡在卡盤(pán)上等)，手腕還可以有一個(gè)小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒(méi)有腕部自由度。3. 臂部 手臂是支承被抓物

10、體、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定的位置。4. 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手設(shè)有行走機(jī)構(gòu)。二、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動(dòng)式的出力人，臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。三、控制系統(tǒng)有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制

11、器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。四、基體(機(jī)身)基體是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。1.2.2 機(jī)械手的分類目前，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)械手尚無(wú)較為統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般可按機(jī)械手的規(guī)格、功能或用途等來(lái)分類。一、按規(guī)格(所搬運(yùn)的工件重量)分類1)微型的搬運(yùn)重量在1kg以下。2)小型的搬運(yùn)重量在10kg以下。3)中型的搬運(yùn)重量在50kg以下。4)大型的搬運(yùn)重量在500kg以上。二、按功能分類1簡(jiǎn)易型工業(yè)機(jī)械手 有固定程序和可變程序兩種。固定程序由凸輪轉(zhuǎn)鼓或擋塊轉(zhuǎn)鼓控制，可變程序用插銷板或轉(zhuǎn)鼓控制來(lái)給定程序。近年來(lái)，普遍采用可編程序控制器(PC)

12、組成控制系統(tǒng)。這種機(jī)械手多為氣動(dòng)或液動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，改變程序較容易。只適用于程序較簡(jiǎn)單的點(diǎn)位控制，但作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多。2記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手 這種工業(yè)機(jī)械手由人工通過(guò)示教裝置領(lǐng)動(dòng)一遍，由記憶元件(如磁盤(pán)、磁帶或存儲(chǔ)器)把程序記錄下來(lái)，以后機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序重復(fù)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。這是采用較多的一種，多為電液伺服驅(qū)動(dòng)。與前者比較，有較多的自由度，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較廣。3計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)械手 可通過(guò)更換穿孔帶或其它記憶介質(zhì)來(lái)改變工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)作程序，還可以進(jìn)行多機(jī)控制。計(jì)算機(jī)可以是可編程序控制器或微型計(jì)算機(jī)。4智能工業(yè)機(jī)

13、械手(機(jī)器人) 由電子計(jì)算機(jī)通過(guò)各種傳感元件等進(jìn)行控制，具有視覺(jué)、熱覺(jué)、觸覺(jué)、行走機(jī)構(gòu)等。三.按用途分類1專用機(jī)械手 附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。這種機(jī)械手工作對(duì)象不變，動(dòng)作固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，適用于成批、大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上、下料用。2通用機(jī)械手 具有獨(dú)立控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。1.3 機(jī)械手的主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)很多，下面主要介紹一些與機(jī)械手有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。自由度 即用來(lái)確定手部相對(duì)機(jī)座的位置和姿態(tài)的獨(dú)立能變數(shù)的數(shù)目。它等于機(jī)

14、械手獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目。自由度是反映機(jī)械手的通用性和適應(yīng)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。自由度越多，就更能接近人手的動(dòng)作機(jī)能，通用性更好，但結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。目前，一般的通用工業(yè)機(jī)械手大多為5個(gè)自由度左右，但已能滿足多種作業(yè)的要求。工作空間 即機(jī)械手的工作范圍，通常以手腕中心點(diǎn)在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的所占有的體積來(lái)表示。我們把機(jī)械手能對(duì)操作對(duì)象完成操作的那一部分空間稱為看管區(qū)域或工作區(qū)域。靈活度 是指機(jī)械手末端執(zhí)行器在工作時(shí)，所能采取的姿態(tài)的多少。若能從各個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最小。此外，用來(lái)表征工業(yè)機(jī)械手操作性能的技術(shù)指標(biāo)還有負(fù)荷能力，快速動(dòng)作特性，重復(fù)定位精度及能量消耗等

15、等。1.4 機(jī)械手的靜力和動(dòng)力分析對(duì)機(jī)器的操作進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析是機(jī)械手操作機(jī)設(shè)計(jì)，以及其驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。1.4.1 靜力分析機(jī)械手靜力分析的目的是確定機(jī)械手在靜力平衡狀態(tài)下，各關(guān)節(jié)力與末端執(zhí)行器上外力、外力矩間的關(guān)系，為機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供初步依據(jù)。在機(jī)械手中，任取兩桿i與i+1，設(shè)作用在桿i+1上的力Fi+1和力矩Mi+1在坐標(biāo)系i+1中表示為Fi+1(i+1)和Mi+1(i+1)；桿i上的重力Gi在機(jī)座坐標(biāo)系x0y0z0中表示為Gi(0)。再設(shè)桿i上Si點(diǎn)和Oi點(diǎn)在坐標(biāo)系xiyizi中的位置矢量為rsi和ri+1。當(dāng)不考慮摩擦?xí)r，將這些力和力矩簡(jiǎn)化到坐標(biāo)系xiyizi中，可

16、得:Fi(i)= Fi+1(i)+Gi(i)=Ri+1,iFi+1(i+1)+Ri0Gi(0)(11)Mi(i)=Mi+1(i)+ri+1×Fi+1(i)+rsi×Gi(i)=Ri+1,iMi+1(i+1)+ri+1×Ri+1,iFi+1(i+1)+rsi×Ri0Gi(0) (12)式中Ri+1,i和Ri0為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變的矩陣，恰在此時(shí)與運(yùn)動(dòng)分析為逆變換。上述兩式為兩相鄰桿間力的傳遞關(guān)系。如設(shè)作用在機(jī)械手末端執(zhí)行器上P點(diǎn)外力和外力矩為FW(0)和MW(0)，同時(shí)考慮各桿自量的影響，則經(jīng)逆推可求得關(guān)節(jié)點(diǎn)Oi上的力和力矩分別為：F0i(i) =Ri0FW(0)

17、+ (13)M0i(i) =Ri0MW(0)+rsj×Rj0Gj(0) (14)求出力F0i(i) 和力矩M0i(i) 在 xi和zi 軸上的分量，即得到關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩。取其反號(hào)值，即為使桿件保持靜力平衡應(yīng)由驅(qū)動(dòng)機(jī)提供的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩。1.4.2 動(dòng)力分析當(dāng)考慮慣性力的影響時(shí)，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行的力分析即為動(dòng)力分析。與前面平面機(jī)構(gòu)力分析相似，機(jī)械手的動(dòng)力分析可將慣性力視為一般外力加于產(chǎn)生慣性力的構(gòu)件上，而仍將機(jī)械手視為處于靜力平衡狀態(tài)，然后即可用前述機(jī)械手靜力分析的方法進(jìn)行力的分析。1.5 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向國(guó)內(nèi)外實(shí)際上使用的定位控制的機(jī)械手，沒(méi)有“視覺(jué)”和“觸角”反饋。目前

18、，世界各國(guó)正積極研制帶有“視角”和“觸角”的工業(yè)機(jī)械手，使它能對(duì)所抓取助工件進(jìn)行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進(jìn)而精確地在機(jī)器中定位、定向。為使機(jī)械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件，它由視覺(jué)傳感器輸入三個(gè)視圖方向的視覺(jué)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過(guò)大引起物件損壞或握力過(guò)小引起物件滑落下來(lái)，一般采用兩種方法：一是檢測(cè)把握物體手臂的變形，以決定適當(dāng)?shù)奈樟?；另一種是直接檢測(cè)指部與物件的滑動(dòng)位移，來(lái)修正握力。因此，這種機(jī)械手就具有以下幾個(gè)方面的性能：1)能準(zhǔn)確地抓住方位變化的物體。2)能判斷對(duì)象的重量。3)能自動(dòng)避開(kāi)障礙物。4)抓空

19、或抓力不足時(shí)能檢測(cè)出來(lái)。這種具有感知能力并能對(duì)感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手稱為智能機(jī)械手，它是有發(fā)展前途的?，F(xiàn)在，工業(yè)機(jī)械手的使用范圍只限于在簡(jiǎn)單重復(fù)的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替人從事繁重的工作和危險(xiǎn)的工作，在惡劣環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車(chē)工業(yè)和電子工業(yè)之類的費(fèi)工的工業(yè)部門(mén)，機(jī)械手的應(yīng)用情況決不能說(shuō)是很好的。雖然這些工業(yè)部門(mén)工時(shí)不足的問(wèn)題很尖銳，但采用機(jī)械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工業(yè)機(jī)械手的性能還不能滿足這些部門(mén)的要求，適于機(jī)械手工作的范圍很狹小。另外經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題當(dāng)然也很重要，采用機(jī)械手來(lái)節(jié)約人力從經(jīng)濟(jì)上看不一定總是合算的。然而，利用機(jī)械手或類似機(jī)械設(shè)備節(jié)省人力和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合理化

20、的要求，今后還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，只要技術(shù)方面和價(jià)格方面存在的問(wèn)題獲得解決，機(jī)械手的應(yīng)用必將會(huì)飛躍發(fā)展。第二章 環(huán)型加熱爐及出料機(jī)械手2.1 環(huán)型加熱爐隨著鋼鐵工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)高速、高精度連續(xù)軋機(jī)及快鍛、精鍛設(shè)備的要求，環(huán)型加熱爐得到了較快發(fā)展。環(huán)型加熱爐是工業(yè)爐中爐型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械化程度和裝備水平較高的一種，一般適用于無(wú)縫鋼管穿孔前的加熱。根據(jù)加熱管坯尺寸的不同，環(huán)型加熱爐的直徑也有所不同，但基本結(jié)構(gòu)均無(wú)很大的差異。環(huán)型加熱爐適合于加熱異型鋼坯，坯料間隔布置，三面受熱，加熱時(shí)間短，溫度均勻；可根據(jù)要求改變爐內(nèi)布料、改變加熱溫度。環(huán)型加熱爐適合大批量生產(chǎn)的要求，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。2.1.

21、1 環(huán)型加熱爐的結(jié)構(gòu)環(huán)型加熱爐是借爐底的旋轉(zhuǎn)，使放置在爐底上的管坯由裝料口移到出料口的一種爐型。爐子用側(cè)進(jìn)料、側(cè)出料的方式，并且用側(cè)燒嘴加熱。環(huán)型加熱爐由轉(zhuǎn)動(dòng)爐底和固定爐墻、爐頂組成。整個(gè)環(huán)型加熱爐看起來(lái)為一個(gè)立體圓環(huán)。沿爐子圓周方向可分為幾個(gè)段，如預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段、清渣段等。段與段之間用隔墻隔開(kāi)，有些段采用水冷隔墻。爐底和爐墻之間的環(huán)逢采用水封以防止熱量和煙氣散出。清渣段：沒(méi)有坯料，供清渣用。預(yù)熱段：不安燒嘴，只靠爐內(nèi)煙氣對(duì)管坯加熱，起到節(jié)能降耗的作用。一加熱段：開(kāi)始安裝燒嘴，是供熱的主要段，也是提高產(chǎn)量的主要段。二加熱段：是供熱的主要段，也是提高質(zhì)量的主要段。均熱段：在這

22、段里最大限度地消除管坯表面和中心的溫度差，提高管坯的加熱質(zhì)量。環(huán)型加熱爐結(jié)構(gòu)上沒(méi)有明顯的分段，主要靠燒嘴的配置和供熱強(qiáng)度來(lái)控制溫度制度。各段的長(zhǎng)度并不固定，例如爐子在低負(fù)荷下工作時(shí)，就可以關(guān)閉一部分加熱段的燒嘴，預(yù)熱段就相對(duì)延長(zhǎng)。為了使?fàn)t子各段的溫度更符合加熱工藝的要求，環(huán)型加熱爐都設(shè)有水冷梁支托的吊掛式隔墻。隔墻的數(shù)目和位置不一定，一般設(shè)有三道隔墻：(1)在加熱段和預(yù)熱段之間設(shè)一道隔墻，減少加熱段向預(yù)熱段的熱輻射；(2)在均熱段和出料口之間設(shè)一道隔墻，防止因出料口經(jīng)常開(kāi)啟而降低均熱段的溫度，還防止均熱段熱氣直接進(jìn)入排煙道；(3)在裝料口與出料口之間也有一道隔墻(有時(shí)有兩道)，以避免裝料口吸入

23、冷風(fēng)，對(duì)出料口的熱管坯造成不良影響，也防止均熱段熱氣短路，直接進(jìn)入排煙道。隔墻距離爐底的間隔高度，應(yīng)保證加熱最大直徑的管坯時(shí)能自由通過(guò)，還考慮到氧化鐵皮在爐底上的堆積，故間隔高度一般約為140mm。環(huán)型加熱爐一般由混合煤氣、天然氣等可燃?xì)怏w供熱，各段供熱可以單獨(dú)進(jìn)行控制。燒嘴均安裝在內(nèi)外環(huán)墻上。爐底一般由若干電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目前均實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。另外，裝料和卸料由電機(jī)或馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)的小車(chē)完成。2.1.2 環(huán)型加熱爐的優(yōu)缺點(diǎn)環(huán)型加熱爐具有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1)爐子的轉(zhuǎn)速和管坯之間的間隔距離可以準(zhǔn)確地控制，各段的溫度可以根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整供熱量及利用中間煙道實(shí)行控制。爐子的產(chǎn)量、熱工制度等都有較大的靈活性。(

24、2)由于管坯之間有間隙，三面受熱，溫度均勻，沒(méi)有水管黑印，加熱質(zhì)量好。(3)可以加熱推送式爐和步進(jìn)式爐所不能加熱的異型管坯。(4)和斜底爐相比，加熱圓坯時(shí)不需要翻料，沿爐長(zhǎng)沒(méi)有高度差，漏人的空氣少，甚至可以采取微正壓操作，燒損率比推送式連續(xù)加熱爐減少1.52。(5)爐子可以排空，避免停軋時(shí)管坯在爐內(nèi)長(zhǎng)期停留，便于更換管坯規(guī)格。(6)由于幾乎沒(méi)有什么水冷件，熱耗比較低。環(huán)型加熱爐的缺點(diǎn)：(1)機(jī)械設(shè)備復(fù)雜，占地面積大，投資費(fèi)用高。(2)管坯之間有間隙，爐底面積利用率低，爐底強(qiáng)度只及推送式爐的一半左右。(3)裝料門(mén)和出料門(mén)相距很近，送料與出料的區(qū)域很窄，操作不方便。2.1.3 環(huán)型加熱爐的工作過(guò)程

25、環(huán)型加熱爐的管坯料為圓柱狀，一般沿徑向布置。正常工作時(shí)爐底按一定速度旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)料位便停一下，在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間內(nèi)完成向一個(gè)料位裝料并從出料口卸下一根坯料給軋鋼機(jī)。然后，爐底繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，如此連續(xù)不斷地運(yùn)行。在爐底旋轉(zhuǎn)一周后，坯料剛好經(jīng)過(guò)預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段完成對(duì)坯料的均勻加熱最后被送出加熱爐。而燃料和助燃空氣則經(jīng)各段燒嘴噴入爐膛燃燒，廢氣經(jīng)煙道排除煙囪。2.2 出料機(jī)械手出料機(jī)械手是生產(chǎn)制造中的一個(gè)重要部分，針對(duì)加熱爐有一個(gè)出料門(mén)和一個(gè)上料門(mén)。有的加熱爐僅有一個(gè)門(mén)，集出料和上料于一體。出料機(jī)械手位于出料門(mén)前側(cè)或上側(cè)，將管坯夾取出爐的一個(gè)裝置，然后將管坯放于爐前的軌道，傳送至加工裝

26、置。出料機(jī)械手是針對(duì)專項(xiàng)管坯加工設(shè)備進(jìn)行的專門(mén)設(shè)計(jì)，應(yīng)用到力學(xué)、熱學(xué)、摩擦學(xué)以及傳感器等多方面的知識(shí)。本次設(shè)計(jì)是針對(duì)包鋼集團(tuán)無(wú)縫鋼管廠小無(wú)縫的35mm加熱爐進(jìn)行的設(shè)計(jì)。出料機(jī)械手中用到的液壓缸和傳動(dòng)部件用的是國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。液壓缸的選取全選自江蘇無(wú)錫液壓缸廠，控制精度難度中下級(jí)別，而對(duì)于天津大無(wú)縫的出料機(jī)械手中所用到的是德國(guó)力士樂(lè)公司用到的液壓缸，控制精度相對(duì)比較高，其控制基于ST200PLC控制，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但其設(shè)計(jì)也是針對(duì)加熱爐出料機(jī)進(jìn)行的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。2.3 設(shè)計(jì)專題部分本次設(shè)計(jì)是針對(duì)包鋼集團(tuán)無(wú)縫鋼管廠35m加熱爐出料進(jìn)行的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。35m加熱爐是包鋼集團(tuán)無(wú)縫鋼管廠生產(chǎn)工藝流程中的

27、一個(gè)重要設(shè)備，無(wú)縫鋼管廠主要生產(chǎn)工藝路線：管坯鋸管坯加熱穿孔機(jī)連軋機(jī)脫管機(jī)再加熱爐定徑機(jī)冷床管排鋸矯直機(jī)探傷倒棱熱處理包裝發(fā)行，管坯鋸斷以后，再將斷坯送入至加熱爐，即裝料，然后在加熱爐里加熱至合適溫度，使得管坯在比較適合穿孔的溫度下出料，本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)其出料結(jié)構(gòu)進(jìn)行的一個(gè)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)主要是根據(jù)設(shè)計(jì)給定的參數(shù)，利用我們所學(xué)專業(yè)知識(shí)以及制圖知識(shí)，設(shè)計(jì)出合理的夾料出料裝置，完成主要部件框架的組合設(shè)計(jì)以及部分零件的強(qiáng)度校核，最后對(duì)部分零件進(jìn)行壽命預(yù)算，最后畫(huà)出裝配圖及零件圖。第三章 出料機(jī)械手的方案確定3.1 可選方案3.1.1 方案一出料機(jī)械手要想完成從加熱爐中夾取出管坯的任務(wù)，必須存在水平

28、面內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)、豎直面內(nèi)的升降運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)支撐機(jī)械手完成上述動(dòng)作的機(jī)架。該機(jī)架設(shè)有一正對(duì)爐門(mén)并高于爐門(mén)的長(zhǎng)直軌道來(lái)支撐行走小車(chē)。水平軌道長(zhǎng)度大于小車(chē)行程，約46m（小車(chē)水平行程約8.1m,回轉(zhuǎn)加熱爐直徑為35m,小車(chē)允許運(yùn)行的有效行程為10m）圖3.1 使用電液伺服閥的同步回路1換向閥 2電液伺服閥 3、4位移傳感器 5伺服放大器 6溢流閥圖3.2 夾料桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制圖1滑輪 2徑向距離控制用導(dǎo)圈 3夾料桿一4夾料桿二 5液壓缸行走小車(chē)動(dòng)力源選用一個(gè)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)減速器減速后，輸入到行走小車(chē)主動(dòng)輪，從而驅(qū)動(dòng)行走小車(chē)完成水平面內(nèi)直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，在行走小車(chē)的終了軌道上設(shè)置一限動(dòng)

29、橫梁，并在小車(chē)減速器輸出端設(shè)置一緩沖裝置來(lái)保證行走小車(chē)停止時(shí)的迅速可靠。行走小車(chē)夾料桿的升降運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)一個(gè)用電液伺服閥的同步回路（如圖3.1所示）驅(qū)動(dòng)兩個(gè)液壓缸同步伸縮以及滑輪同步機(jī)構(gòu)（如圖3.2所示）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩液壓缸分別與一滑輪同步機(jī)構(gòu)相連來(lái)支承夾料桿前后兩個(gè)支點(diǎn)使夾料桿做升降運(yùn)動(dòng)，液壓缸以及滑輪機(jī)構(gòu)的同步性可保證夾料桿始終處于水平。圖 3.3 夾料桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制圖夾料桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)液壓缸配合夾料桿上中間部位的兩個(gè)特殊凸耳來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)使兩個(gè)夾料桿實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)（如圖3.3所示）。該方案控制的夾料動(dòng)作反應(yīng)快速準(zhǔn)確，特別是選用的同步的回路同步精度很高，伺服閥與換向閥要求有

30、相同的流量，規(guī)格尺寸必須選擇很大，價(jià)格也相當(dāng)昂貴，特別是行走下車(chē)車(chē)體上要同時(shí)固定五個(gè)大行程液壓缸，因此，行走小車(chē)在體積和材料剛度的選用方面都有特殊的要求，但是其無(wú)論在效率還是在壽命方面的性能都比較好。3.1.2 方案二方案二與方案一驅(qū)動(dòng)小車(chē)的動(dòng)力源有所不同，小車(chē)水平驅(qū)動(dòng)是靠一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速器，經(jīng)減速器調(diào)速后減速，輸出到行走小車(chē)主動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)小車(chē)在水平軌道上前進(jìn)后退，此處選擇液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可使整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源一致。行走小車(chē)夾料桿的升降驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)液壓缸和一個(gè)特殊的同步擺桿機(jī)構(gòu)共同來(lái)控制（如圖3.4所示），A、B和C三點(diǎn)均固定在車(chē)體上，該機(jī)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)夾料桿升降方面的同步性，但是D、E兩點(diǎn)做的是

31、圓周運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)點(diǎn)也是圓周運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，D、E兩點(diǎn)在做上下運(yùn)動(dòng)時(shí)也要在水平方向上做前后運(yùn)動(dòng)，因此就必須存在一個(gè)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)此還專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)吊掛擺動(dòng)裝置，來(lái)補(bǔ)償其水平垂直方向的微動(dòng)。吊掛擺動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)也是靠一個(gè)重型液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3.4 同步擺桿機(jī)構(gòu)1液壓缸 2 、4曲柄 3連桿圖3.5 夾料桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制圖夾料桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)一個(gè)液壓缸配合夾料桿上的凸耳來(lái)實(shí)現(xiàn)的（如圖3.5所示），液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)和夾料桿上的特殊凸耳共同作用驅(qū)動(dòng)夾料桿反向旋轉(zhuǎn)。吊掛擺動(dòng)裝置在徑向控制其徑向距離和補(bǔ)償其水平方向的微動(dòng)。機(jī)架安置在環(huán)型加熱爐前，夾料桿水平前行時(shí)，就近似一個(gè)懸臂梁，這就要求機(jī)架相對(duì)地基能過(guò)承受

32、懸臂夾料桿傾反力矩的影響，因此，其固定必須采用有效可靠的措施。該方案對(duì)于夾料桿運(yùn)動(dòng)控制較好，設(shè)備的制造，除液壓馬達(dá)和液壓缸之外，都可以從本廠直接獲取坯料并進(jìn)行加工。對(duì)于完成一些控制精度不高，生產(chǎn)效率一般的生產(chǎn)廠區(qū)比較實(shí)效。3.1.3 方案三該方案的設(shè)計(jì)與前兩個(gè)方案不同的地方是行走小車(chē)運(yùn)行于地面的水平軌道上。升降驅(qū)動(dòng)用方案一的鏈?zhǔn)酵揭簤焊谆芈穼?shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也按方案一的方法控制。這種方案省去了機(jī)架的材料和費(fèi)用，但是它卻占據(jù)了廠區(qū)大量的面積。一般來(lái)說(shuō)廠區(qū)的面積是比較有限的，該方案只適合于某些專門(mén)的加熱爐出料而不從事其他流水作業(yè)的廠區(qū)。3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法擇優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法的依據(jù)是相對(duì)價(jià)：其中包括

33、方案的技術(shù)價(jià)和經(jīng)濟(jì)價(jià)，該法被定為德國(guó)工程師協(xié)會(huì)規(guī)范VDI22225。3.2.1 技術(shù)評(píng)價(jià)通過(guò)技術(shù)分析驗(yàn)證所采用的技術(shù)原理的正確性，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方案的性能，并確定詳細(xì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，技術(shù)評(píng)價(jià)通過(guò)方案的技術(shù)價(jià)Wt進(jìn)行分析：Wt= (31)式中：Pi第i個(gè)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分值；gi第i個(gè)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)；Pmax最高分值（本次設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中的高分值選用五分制）。注：Wt<0.6表示方案在技術(shù)上合適，必須改進(jìn)。表 31 設(shè)計(jì)方案技術(shù)評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)目標(biāo)加權(quán)系數(shù)gi方案一方案二方案三P1iP1igiP2iP2igiP3iP3igi剛度0.330.941.23.51.05精度0.341.230.93.51 加工0.

34、241.840.840.8裝配0.130.340.440.4使用0.150.53.50.3540.4PmaxP1igi=3.7P2igi=3.7P3igi=3.7Wt=gi/PmaxWt1=0.74Wt2=0.73Wt3=0.733.2.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的目的是求方案的經(jīng)濟(jì)價(jià)We,也就是理想成本與實(shí)際制造成本的比值。We=Hi/H(32)表 3.2設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)目標(biāo)方案一方案二方案三生產(chǎn)成本1.8a1.4a1.6a理想成本a經(jīng)濟(jì)價(jià)We=Hi/HWe1=0.555We1=0.717We1=0.625注：一般取We0.7意味著實(shí)際成本高于允許生產(chǎn)成本，在經(jīng)濟(jì)上不合格。式中：H實(shí)際制造成

35、本，包括材料費(fèi)用，工資費(fèi)用和一般管理費(fèi)用等。進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，H是理論值；Hi理想的制造成本。3.2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)總價(jià)值：Wo=(33)三種方案的相對(duì)價(jià):W1=0.6409W1=0.7220W1=0.6755圖中的OS表示開(kāi)發(fā)線，方案越靠近開(kāi)發(fā)線，說(shuō)明方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合性越好，但是必須位于開(kāi)發(fā)線的需用區(qū)域內(nèi)。評(píng)價(jià)決策結(jié)果：準(zhǔn)備采用方案二來(lái)進(jìn)行本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。表 33 優(yōu)度圖第四章 出鋼機(jī)械手參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 機(jī)械手組成本次設(shè)計(jì)的出料機(jī)械手構(gòu)成主要包括（如圖4.1所示）：車(chē) 架：支承行走小車(chē)在某一固定水平高度上直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)有車(chē)輪軌道。行走小車(chē)：在車(chē)架上做直線運(yùn)動(dòng)，后裝夾料桿和吊掛擺動(dòng)裝置

36、，在水平方向帶動(dòng)夾料桿移動(dòng)至加熱爐門(mén)前，其上還設(shè)同步擺桿機(jī)構(gòu)，配合液壓缸完成垂直升降運(yùn)動(dòng)。行走小車(chē)是承載夾料桿在水平方向前進(jìn)的主要裝置。行走小車(chē)配以兩個(gè)后輪，兩個(gè)后下輪，兩個(gè)前輪和兩個(gè)導(dǎo)向輪，其動(dòng)作形式就是在水平軌道上前進(jìn)或后退。為控制行走小車(chē)在前進(jìn)方向的啟動(dòng)速度和停止時(shí)間，還專門(mén)設(shè)置了緩沖裝置緩沖器HX400。圖 4.1 出料機(jī)械手構(gòu)成1行走小車(chē)2車(chē)架3同步擺桿機(jī)構(gòu)4吊掛擺動(dòng)機(jī)構(gòu)5夾料桿行走小車(chē)下部還設(shè)有同步擺桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制夾料桿在垂直方向上的移動(dòng)，同步擺桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)曲柄和一個(gè)連桿組成。同步擺桿機(jī)構(gòu)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸端部固定在行走小車(chē)上，其運(yùn)動(dòng)軌跡是弧形和伸縮的合成運(yùn)動(dòng)。A點(diǎn)軌跡促使C、E兩

37、點(diǎn)同步運(yùn)動(dòng)，C、E兩點(diǎn)是純弧形軌跡。就單純分析同步桿件來(lái)說(shuō)，DE桿是一個(gè)虛約束，但是正是這個(gè)虛約束實(shí)現(xiàn)了夾料桿的同步升降。行走小車(chē)的動(dòng)力源是液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。即輸入壓力和流量，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)后接減速器，經(jīng)減速器調(diào)速后輸出至行走小車(chē)的主動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)行走小車(chē)前進(jìn)。夾料桿裝配：圖4.2 鍵型孔夾料桿采用無(wú)縫鋼管成品，規(guī)格為299×30-7280，材料為45鋼。每個(gè)管在管壁上加工出4個(gè)孔：2個(gè)69mm的圓孔和2個(gè)鍵型孔（斷面如圖4.2所示）。由于管坯溫度較高，且材料為45鋼，所以容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和變形，而且與所設(shè)計(jì)的夾料桿夾鉗上的半圓條相接觸時(shí)，容易發(fā)生

38、粘接，所以必須配置降溫設(shè)備。在本次設(shè)計(jì)中，夾料桿兩端有軸頭密封，夾料桿上的兩個(gè)69mm的圓孔是用來(lái)實(shí)現(xiàn)水冷的，這兩個(gè)圓孔一個(gè)作為進(jìn)水口，一個(gè)作為出水口，冷卻水從進(jìn)水口流入，經(jīng)過(guò)冷水管與無(wú)縫鋼管之間的縫隙，然后通過(guò)鍵型孔流入夾鉗內(nèi)部，之后冷卻水在壓力作用下經(jīng)回水管進(jìn)入冷水管，再?gòu)某鏊诹鞒?，完成冷卻過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，不僅對(duì)夾鉗有很好的冷卻作用，對(duì)于工作在較高溫度下的夾料桿桿臂也有較好的冷卻作用。冷卻過(guò)程的控制是通過(guò)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)夾料桿鉗口達(dá)到某一溫度時(shí)，溫度傳感器獲得信號(hào)并將信號(hào)傳至給控制器，從而開(kāi)啟進(jìn)水管進(jìn)行冷卻。夾料桿夾取管坯時(shí)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由液壓缸驅(qū)動(dòng)的，即在夾料桿尾部徑向配以液壓缸

39、，并在夾料桿上設(shè)有特殊的凸耳結(jié)構(gòu)，通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)兩夾料桿旋轉(zhuǎn)。為使兩夾料桿不會(huì)因徑向竄動(dòng)而引起徑向距離變化，在夾料桿上設(shè)有弧形塊，從而避免了夾鉗啟閉用液壓缸行程偏小而無(wú)法夾取坯料，或行程偏大，在夾取坯料時(shí)，坯料在徑向受擠壓而產(chǎn)生變形。本次設(shè)計(jì)還在夾料桿外壁上采取了一定的措施：1) 在夾料桿端部通過(guò)齒輪嚙合來(lái)控制旋轉(zhuǎn)角度，其分度圓所在位置的半徑與夾料桿外圓半徑控制在同一尺寸上；2) 在夾料桿的中間部位配以弧形塊，作用同1)。由于夾料桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且只有尾部固定在同步擺桿機(jī)構(gòu)的曲柄一上，雖然在垂直面內(nèi)的移動(dòng)已被約束，但仍可轉(zhuǎn)動(dòng)，為使夾料桿能保持水平，在其中間偏尾部設(shè)計(jì)一吊掛擺動(dòng)裝置，并通過(guò)鏈

40、條傳動(dòng)的輔助作用來(lái)維持其與尾部的同步旋轉(zhuǎn)，此外，吊掛擺動(dòng)裝置還可以控制其徑向方面的移動(dòng)。冷卻裝置：包括液壓冷卻裝置和夾料桿內(nèi)水冷裝置，本次設(shè)計(jì)只對(duì)水冷裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，本次設(shè)計(jì)中還簡(jiǎn)單提到了出料機(jī)械手拖鏈機(jī)構(gòu)、事故卷?yè)P(yáng)機(jī)和出料機(jī)械手傳感器裝置等。4.2 出料機(jī)械手的循環(huán)動(dòng)作當(dāng)管坯加熱到合適溫度，加熱爐門(mén)打開(kāi)，出料機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作。首先，出料機(jī)械手通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)后接的減速器調(diào)速后，驅(qū)動(dòng)行走小車(chē)在水平軌道上前進(jìn)，小車(chē)的啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)勻加速直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)最高速度后開(kāi)始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)快到達(dá)限動(dòng)橫梁時(shí)做勻減速直線運(yùn)動(dòng)。為使其減速反應(yīng)快速、敏捷，還在行走小車(chē)上裝有緩沖裝置緩沖器，用以防止車(chē)速

41、過(guò)高沖出軌道，造成設(shè)備損傷，甚至傷及在場(chǎng)工作人員等事故的發(fā)生。當(dāng)出料機(jī)械手運(yùn)行至坯料上方時(shí)，水平運(yùn)動(dòng)快速平穩(wěn)停止，液壓缸一收縮調(diào)節(jié)同步擺桿機(jī)構(gòu)下降至可以?shī)A取坯料的位置后停止，然后通過(guò)液壓缸二配合吊掛擺動(dòng)裝置中的液壓缸三的協(xié)作運(yùn)動(dòng)使夾料桿的夾取鉗口打開(kāi)，夾取坯料，接著通過(guò)液壓缸一的伸出使夾料桿連同所夾取的坯料上升至之前的高度，液壓馬達(dá)再次驅(qū)動(dòng)行走小車(chē)水平動(dòng)作后退至運(yùn)料軌道正上方，液壓缸一收縮運(yùn)動(dòng)使夾料桿下降；最后，通過(guò)液壓缸二、三的協(xié)作運(yùn)動(dòng)使夾料桿鉗口打開(kāi)，管坯脫開(kāi)停放在了運(yùn)料軌道上。重復(fù)以上步驟，直至環(huán)型加熱爐中管坯夾取完畢。其工作順序簡(jiǎn)圖如下：圖 4.3出料機(jī)械手循環(huán)控制圖4.3 主要參數(shù)的

42、設(shè)計(jì)計(jì)算管坯規(guī)格： 180mm管坯： L1=1.54.5m M1=900Kg 270mm管坯： L2=1.34.36m M2=2030Kg出料頻率：f=120根/h出料機(jī)械手行程：L=8100+250×2=8600mm出料機(jī)械手最大行程：Lmax=8100mm出料機(jī)械手最小行程：Lmin=5700mm爐內(nèi)升降行程：H內(nèi)=350mm爐外升降行程：H外=190mm4.3.1 初定行程用時(shí)因加熱爐是環(huán)型，管坯沿徑向分布（如圖4.4所示），所以每次取完?duì)t口的管坯，圖 4.4 環(huán)型加熱爐管坯分布簡(jiǎn)圖接下來(lái)就要取與已經(jīng)夾取的管坯相對(duì)處的管坯以減少環(huán)型加熱爐的動(dòng)載荷，故可以看做每次循環(huán)夾取兩根管坯

43、。出料頻率為120根/小時(shí)，即：每分鐘兩根?？紤]到設(shè)備的反應(yīng)滯后，摩擦磨損帶來(lái)的時(shí)間消耗以及液壓傳動(dòng)的緩沖和排氣方面的影響因素：設(shè)出料機(jī)械手最大工作行程用時(shí)：7.4s爐內(nèi)升降行程用時(shí)：1.4s爐外升降行程用時(shí)：0.76s夾鉗啟閉用時(shí)：0.5s保守估計(jì)單次循環(huán)累計(jì)用時(shí)：T=(7.4+1.4+0.5+0.5+1.4+7.4+0.76+0.5+0.5+0.76)×2=42.24s<60s以下設(shè)計(jì)計(jì)算用時(shí)皆按上述假設(shè)進(jìn)行。4.3.2 旋轉(zhuǎn)用液壓缸負(fù)載壓力圖4.5 夾鉗受力圖當(dāng)夾取180mm管坯時(shí)，根據(jù)理論力學(xué)知識(shí)對(duì)坯料進(jìn)行受力分析，如圖4.5所示。在圖（a）左半部分為夾鉗的初始位置，右

44、半部分為剛好夾住坯料的位置，根據(jù)圖中的幾何尺寸，可得： 在圖（b）中： G=2F (41)180mm坯料的重量：G=mg=900×9.8=8820N將G及的值代入式(41)得：F=39.2KN故夾取180mm坯料時(shí)，鉗口所受壓力為39.2KN，鉗口擺角為12.92。夾鉗在工作過(guò)程中，鉗口還需反向旋轉(zhuǎn)，故夾鉗鉗口總擺動(dòng)角度應(yīng)取>2，而2=，故取=13。當(dāng)夾取270mm坯料時(shí)，同理由幾何關(guān)系可得擺角：270mm規(guī)格的坯料的最大重量：G=mg=2030×9.8=19894N將G及的值代入式(41)得：F=141.2KN即夾取270mm坯料口所受壓力為141.2KN，鉗口擺角

45、取=17。設(shè)計(jì)中取數(shù)值較大的鉗口擺角：=13，鉗口開(kāi)啟壓力：F=141.2KN。故液壓缸的負(fù)載壓力為： F旋=200.3KN4.3.3 吊掛擺動(dòng)裝置液壓缸負(fù)載壓力計(jì)算行走小車(chē)底部設(shè)有同步擺桿機(jī)構(gòu)，左邊的曲柄與夾料桿相接，夾料桿的左端已經(jīng)固定了一個(gè)液壓缸來(lái)控制鉗口的開(kāi)啟，因此，吊掛擺動(dòng)裝置中液壓缸的作用：一是維持夾料桿旋轉(zhuǎn)；二是保持夾料桿工作同步，故在吊掛擺動(dòng)裝置上使用的液壓缸負(fù)載壓力就稍小于夾料桿夾鉗開(kāi)閉驅(qū)動(dòng)液壓缸的負(fù)載壓力，其行程由行走小車(chē)下端尾部耳環(huán)固定的間距和夾鉗啟閉液壓缸行程計(jì)算，其選型可以在高壓重型液壓缸系列中選擇稍小于夾鉗啟閉液壓缸一號(hào)即可。4.3.4 同步擺桿機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算夾料桿在

46、爐內(nèi)升降行程為350mm，爐外升降行程為190mm，同步擺桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)曲柄安裝高度差為160mm，由同步擺桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，我們知道兩曲柄接夾料桿處運(yùn)動(dòng)軌跡是完全一樣的。曲柄一中A、B和C三點(diǎn)在同一條直線上，可以將其簡(jiǎn)化為桿件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而確定A點(diǎn)的上升下降高度，也就是升降驅(qū)動(dòng)液壓缸的工作行程范圍。圖（a）a圖（b）圖4.6 同步擺桿機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算圖如圖4.6所示，在圖（a）中，由條件AB=406mm，BC=580mm，DE=BF=175mm知：故：AD=AE-DE=297.5-175=122.5mm圖（b）為夾料桿在爐內(nèi)下降350mm時(shí)，曲柄一的位置圖，其中： =BF+350=525mm，=

47、406mm，=580mm，由圖中幾何關(guān)系知：故： 綜上可知：兩點(diǎn)在垂直方向上的高度差為。考慮到液壓缸在垂直面內(nèi)的擺動(dòng)和其他因素產(chǎn)生的冗余伸長(zhǎng)的影響，將其圓整為250mm。4.3.5 夾料桿升降驅(qū)動(dòng)液壓缸負(fù)載壓力計(jì)算1、夾料桿下降時(shí)，同步擺桿機(jī)構(gòu)所承受的載荷必須考慮到夾料桿重量、吊掛擺動(dòng)裝置重量和夾料桿內(nèi)部水的重量：G1=G夾+G吊+G水(42)因下降時(shí)剛開(kāi)始進(jìn)行水冷，夾料桿內(nèi)部水的重量可以忽略，故：G1G夾+G吊(43)將m夾=4845kg，m吊=127kg代入上式，得：G1=（4845+127）×9.8=48.7KN因?yàn)閵A料桿在爐內(nèi)下降時(shí)同步擺桿機(jī)構(gòu)所承受的載荷要小于夾料桿夾取管坯

48、上升時(shí)同步擺桿機(jī)構(gòu)所承受的載荷，所以我們可以根據(jù)上升時(shí)同步擺桿機(jī)構(gòu)所承受的載荷計(jì)算出升降液壓缸負(fù)載壓力。2、夾料桿在爐內(nèi)上升時(shí)也必須考慮夾料桿重量、吊掛擺動(dòng)裝置重量以及水冷時(shí)管內(nèi)水的重量和管坯重量，故：G2=G夾+G吊+G水+G管坯(44)其中：m夾=4845kg，m吊=127kg，m水=V水×水，m管坯=2030kg下面計(jì)算夾料桿內(nèi)冷水的質(zhì)量：夾料桿內(nèi)圓橫截面面積：S=·r2(45)=44862.7mm2單根無(wú)縫鋼管長(zhǎng)：L=7280mm冷水的體積：V水=2×S×L=2×44862.7×7280×=0.653冷水的質(zhì)量：m水

49、= V水×水=0.653×1000kg=653kg將各值代入式（44）：G2=（m夾+m吊+m管+m水）·g=（6845+127+2030+653）×9.8×=88.2KN確定同步擺桿機(jī)構(gòu)下裝整個(gè)設(shè)備的重量后，還必須計(jì)算整個(gè)設(shè)備的重心水平坐標(biāo)，之后才能確定同步擺桿機(jī)構(gòu)兩曲柄分別所受載荷。首先，根據(jù)夾料桿裝配各零部件的位置以及重量確定夾料桿的重心，然后，再計(jì)算夾料桿裝配、吊掛擺動(dòng)裝置、管內(nèi)冷卻水和管坯的整體重心位置。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以求得夾料桿裝配、吊掛擺動(dòng)裝置、冷卻水和管坯各自的重心：x夾=3751mm，x吊=3751mm，x水=3751mm，x管

50、=3751mm（如圖4.7所示）。圖4. 7根據(jù)上圖，同步擺桿機(jī)構(gòu)下裝設(shè)備的水平重心為：=4764mm列平衡方程：=88.2KN解得： 3、同步擺桿機(jī)構(gòu)中的連桿通過(guò)兩個(gè)鉸鏈與兩個(gè)曲柄相連，為一二力桿。將同步擺桿機(jī)構(gòu)約束除去，用外力代替施力物體，對(duì)曲柄一、二和連桿進(jìn)行受力分析，如下圖所示。圖4.9曲柄二受力分析圖圖4.8 曲柄一受力分析圖 圖4.10 連桿受力分析圖根據(jù)受力分析列平衡方程（其中）：曲柄一：Fx=0，=0Fy=0，MB=0，F(xiàn)A×387-FD×295.3-FC×552=0曲柄二：Fx=0，F(xiàn)y=0，ME=0，F(xiàn)F×295.3-FG×

51、552=0連桿：其中：，將FC=代入上式，可得：FA=125.8KN4.3.6 車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算車(chē)輪運(yùn)行于鋼質(zhì)導(dǎo)軌上，其驅(qū)動(dòng)力必須考慮到滾動(dòng)摩阻，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明這種滾動(dòng)摩阻的形成原因及特性。圖4. 11 設(shè)在水平面上有一滾子，半徑為R，重為P，在其中心O加一水平力F（如圖4.11所示）。當(dāng)力F不大時(shí)，滾子仍將保持靜止，由滾子的受力情況可知，滾子受到的力有法向反力FN，它與P等值反向，靜滑動(dòng)摩擦力，它與F等值反向（如圖4.12示）。如果水平面對(duì)滾子的反力僅有FN和FS，則滾子不可能保持平衡。因?yàn)镕S不僅能阻止?jié)L子滾動(dòng)，反而與力F組成一個(gè)力偶，使?jié)L子發(fā)生滾動(dòng)，但實(shí)際上當(dāng)力F較小時(shí)，滾子能夠保持平衡，

52、其原因是滾子和水平面并不是剛體，它們?cè)诹Φ淖饔孟露紩?huì)發(fā)生變形，它們之間接觸處并不是一個(gè)點(diǎn)，而是一段弧線，輪子在接觸面上受力分布力作用，當(dāng)將這些力向A點(diǎn)簡(jiǎn)化時(shí)，可得到一個(gè)合力FR（FR可分解為摩擦力FS 和正壓力FN）和一個(gè)力偶，其力偶矩為Mf，如圖4.12所示，這個(gè)矩為Mf的力偶稱為滾動(dòng)摩阻力偶，它與力偶（F，F(xiàn)S）相平衡，方向與滾動(dòng)的趨勢(shì)方向相反。與靜滑動(dòng)摩擦力相似，滾動(dòng)摩阻力偶矩Mf也隨著主動(dòng)力的增大而增大當(dāng)力F增加到某個(gè)值時(shí)，滾子處于將滾未滾的臨界平衡狀態(tài)；這時(shí)，滾動(dòng)摩阻力偶矩達(dá)到最大值，稱為最大滾動(dòng)摩阻力偶矩，用Mmax表示。若力F再增大一點(diǎn)，輪子就會(huì)滾動(dòng)。由此可見(jiàn)，滾動(dòng)摩阻力偶矩Mf

53、的大小介于零與最大值之間，即，0M Mmax（46）實(shí)驗(yàn)證明，最大滾動(dòng)摩阻力偶矩Mmax與支承面的法向反力FN的大小成正比，即Mmax=·FN （47）圖4. 12滾動(dòng)摩阻系數(shù)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，它與滾子和支承面的材料的硬度和溫度有關(guān)，與滾子的半徑無(wú)關(guān)。表41是幾種常見(jiàn)材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)的值。行走小車(chē)車(chē)軌支承力：P=G2+G車(chē)G2=88.2KNG車(chē)=5017×9.8=49.2KN故：P=88.2+49.2=137.4KN據(jù)滾動(dòng)摩阻定律： Mmax=·FNFN=88.2+49.2=137.4KN查表41知：=0.5mm Mmax=68.7N·m小車(chē)最大行程：L=（

54、8100+250×2）=8600mm實(shí)際最大行程：L=8100mm小車(chē)運(yùn)行速度：=根據(jù)緩沖計(jì)算摩擦力：=3007.6JF=小車(chē)驅(qū)動(dòng)功率：P=F=371.3×1094.6=406.4KW表41 滾動(dòng)摩阻系數(shù)材料名稱（mm）材料名稱（mm）鑄鐵與鑄鐵鋼質(zhì)車(chē)輪與鋼軌木與鋼木與木軟木與軟木淬火鋼珠與鋼0.50.50.30.40.50.81.50.01軟鋼與鋼有滾珠軸承的料車(chē)與鋼軌無(wú)滾珠軸承的料車(chē)與鋼軌鋼質(zhì)車(chē)輪與木面輪胎與路面0.050.090.211.52.5210第五章 液壓缸及減速緩沖元件的選用本次設(shè)計(jì)中液壓馬達(dá)和減速器均需設(shè)計(jì)，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行制造與裝配，以保證設(shè)備性能和控制

55、精度，但液壓馬達(dá)和減速器的設(shè)計(jì)不是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，故只說(shuō)明其型號(hào)和功能參數(shù)。5.1 液壓馬達(dá)選擇液壓馬達(dá)是把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元件，輸入壓力和流量輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)按結(jié)構(gòu)可分為齒輪式、葉片式和柱塞式。本次設(shè)計(jì)選用液壓馬達(dá)型號(hào)為A2F200W2P2注： A馬達(dá)型號(hào) 2無(wú)連桿 F壓力級(jí) 200工程排量 W 控制設(shè)計(jì)變量 2主體設(shè)計(jì)序號(hào) P平鍵連接 2 裝配形式主要參數(shù)：排量：200ml/r 最大工作壓力：10MPa 最高轉(zhuǎn)速：1700r/min5.2 液壓缸選擇5.2.1 夾鉗啟閉用液壓缸的選擇在4.3.2節(jié)中已經(jīng)計(jì)算出液壓缸最大負(fù)載工作壓力：F旋=200.3KN。查參考文獻(xiàn)7表251和表252，選擇液壓缸內(nèi)徑D=80mm，活塞桿直徑d=56mm，滿足要求。因夾鉗相對(duì)液壓缸旋轉(zhuǎn)角度為=6.46，也就是說(shuō)，夾鉗啟閉液壓缸的行程為：L=2(51) =2×3.14×661×=74.45mm查參考文獻(xiàn)7表253，從液壓缸行程優(yōu)先系列中選擇其行程，?。篖=85mm故所選液壓缸型號(hào)為C25WE80/56×85注：C